“雙碳”背景下智能燈桿全生命周期節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用探究

李白玉

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

引言

第75屆聯(lián)合國大會上，中國向國際社會作出鄭重承諾：力爭2030年前達到CO2排放峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”既是一場社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性變革，也是一場關(guān)于新技術(shù)新市場的全球競技，為我們工程設(shè)計領(lǐng)域帶來了新的思考和挑戰(zhàn)。

構(gòu)建智能城市是優(yōu)化能源格局、實現(xiàn)綠色低碳城市的重要途徑。在“雙碳”背景下，智能路燈作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，可集成智能照明、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、信息發(fā)布和共享充電等一系列城市公共服務(wù)設(shè)施，實現(xiàn)桿體資源共建共享，有效減少重復(fù)建設(shè)、提升設(shè)施利用率，是降低碳排放的重要舉措之一。圍繞智能燈桿展開全生命周期的節(jié)能降碳技術(shù)可行性應(yīng)用探究，成為照明工程設(shè)計的關(guān)鍵。

1 “雙碳”背景智能燈桿節(jié)能降碳意義

隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，各類桿件如照明燈桿、交通信號燈桿、交通標(biāo)識牌桿、道路指示牌、電子監(jiān)控桿等傳統(tǒng)設(shè)施必將面臨多桿林立的設(shè)置情況。在滿足行業(yè)標(biāo)準、功能要求、安全性的前提下，路燈桿以其覆蓋范圍廣、分布均勻、供電路徑可靠等優(yōu)勢，與道路上其他設(shè)施桿件遵循“能少則少、能合則合”的總原則，搭載其他智慧設(shè)施，形成智能合桿。同時，綜合桿為車路協(xié)同等設(shè)施預(yù)留安裝位置和通信接口，實現(xiàn)資源集約利用，節(jié)約城市建設(shè)成本。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國城市公共基礎(chǔ)設(shè)施之一的路燈用電量約占全國發(fā)電總量的9%～10%，城市道路照明燈具的數(shù)量預(yù)計到2025年將達到3 923.4萬盞[2]。通過智能燈桿的建設(shè)，對項目周邊多種設(shè)施進行整合，將無序的各種設(shè)施集成到智能綜合桿中，一方面可以美化道路周邊環(huán)境，避免不同步建設(shè)與重復(fù)建設(shè)；另一方面可以節(jié)約投資，降低維護資源投入，做到資源整合、管理集約及系統(tǒng)可拓展，對實現(xiàn)節(jié)能降碳具有重要意義。

據(jù)波士頓咨詢公司研究數(shù)據(jù)顯示，2030年前通過人工智能(AI)應(yīng)用有望減少全球26億～53億噸CO2排放量，約占全球總排放量的5%～10%[2]。智能燈桿有專門的供電線路，并采用高性能的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，為現(xiàn)場各種智能應(yīng)用裝置擴展提供了基礎(chǔ)電源和通訊條件，形成城市公共區(qū)域全覆蓋的重要交互端。智能燈桿以照明燈桿為載體，整合多個智能交通設(shè)施終端，對城市碳足跡、碳匯等領(lǐng)域信息進行收集，有效促進相關(guān)區(qū)域的能源形態(tài)深度融合，通過管理平臺系統(tǒng)運算、預(yù)測和評估，優(yōu)化及快速反應(yīng)而提升管理效率，大幅提升城市公共設(shè)施的能源使用效率，直接或間接地降低能源行業(yè)碳排放量。

2 智能燈桿全生命周期節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用

2.1 供電方面——采用太陽能、風(fēng)能發(fā)電

太陽能、風(fēng)能發(fā)電是一種綠色、環(huán)保、高效、可再生的發(fā)電技術(shù)，照明工程設(shè)計中可根據(jù)實際情況應(yīng)用，從而節(jié)省能源，省去隨路電纜敷設(shè)，從源頭上降低能量供給消耗。

智能燈桿采用太陽能、風(fēng)能供電，太陽能光伏組件、風(fēng)力發(fā)電所收集的電能通過儲能管理或直接用于智能燈桿搭載的各類智能設(shè)施運行，減少了發(fā)電廠燃料供電所產(chǎn)生的CO2，實現(xiàn)碳抵消及達到碳平衡[1]。通過雙向電力傳輸及儲能技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化及降低智能燈桿搭載功能模塊能耗，補充自身用電需求而減少碳排放，并配備儲能設(shè)備以備陰雨天使用，為遠期提供接入電路的可能性及條件。

2.2 布設(shè)方面——采用合理燈桿布置

智能燈桿首先應(yīng)能滿足低碳照明設(shè)計標(biāo)準，需要按照《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)，明確城市照明的發(fā)展方向、燈光的空間結(jié)構(gòu)與布置[3]。在照明設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)道路等級確定照度或亮度等要求，嚴格遵循《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準》(CJJ 45—2015)來布置燈桿。

城市道路照明形式包括單側(cè)、雙側(cè)交錯、對稱、中心對稱、橫向懸掛等形式。要根據(jù)被照物的特性和需要，選用最節(jié)能的照明形式，同時滿足照明設(shè)計節(jié)能的標(biāo)準(即功率密度不超限值)。在滿足標(biāo)準下合理布置燈桿，減少不必要的燈桿建設(shè)，從而降低生產(chǎn)成本、資源投入及使用時的能源損耗、環(huán)境污染、處理損耗等，減少碳排放。

以一條18 m橫斷面的支路為例。方案一采用單桿雙臂照明方式，機動車道照明燈具容量為60 W、高度8.5 m；人行步道照明燈具容量為40 W、高度6.5 m。燈桿雙側(cè)對稱布置，燈桿間距約為25 m，燈桿安裝在設(shè)施帶內(nèi)，如圖1所示。

圖1 照明橫斷面布置圖(方案一)Fig.1 Lighting cross section layout (Scheme 1)

方案二在支路道路標(biāo)準段采用單桿單臂照明方式，機動車道照明燈具容量為120 W、高度12 m。燈桿單側(cè)布置，燈桿間距約為35 m(為避免照度均勻度不好，局部間距可縮短至30 m)，燈桿安裝在設(shè)施帶內(nèi)，如圖2所示。

圖2 照明橫斷面布置圖(方案二)Fig.2 Lighting cross section layout (Scheme 2)

2.2.1 智能燈桿數(shù)量精簡

就工程范圍1 km來說，方案一及方案二均能滿足支路照明設(shè)計標(biāo)準，且機動車道照明功率密度值均滿足規(guī)范要求。方案一雙側(cè)對稱布置，燈桿設(shè)置數(shù)量大約80個；方案二單側(cè)布置，燈桿設(shè)置數(shù)量大約32個，燈桿數(shù)量上方案二減少60%。

2.2.2 智能燈桿排管及線纜縮短

為滿足遠期智慧設(shè)施供電及通信需求，以及為后期穿線預(yù)留條件，防止二次開挖埋管敷設(shè)，現(xiàn)有工程智能燈桿管道需隨路設(shè)置9根PE100DN110排管(其中2根用于敷設(shè)供電電纜，1根用于敷設(shè)通信光纜，6根為預(yù)留)。就工程范圍1 km來說，方案一道路兩側(cè)均需敷設(shè)排管及電纜，方案二僅需一側(cè)敷設(shè)，排管數(shù)量及電纜長度至少減少50%。

2.2.3 智能燈桿綜合井及基礎(chǔ)減少

每處智能燈桿處均需設(shè)置一個路段綜合井用于管道續(xù)接，以便后期穿線及檢修。方案一雙側(cè)對稱綜合井及基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)量大約80個，單側(cè)布置綜合井及基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)量大約32個，數(shù)量上減少60%。

綜上分析可知，通過合理的燈桿布置，可以優(yōu)化智能燈桿排布方式，減少桿柱林立、電纜及排管敷設(shè)長度、綜合井及基礎(chǔ)工程量，從根本上減少碳生產(chǎn)，相對節(jié)省投資成本約56%(表1)。在節(jié)能降碳大背景下，顯然照明方案二更為合理。

表1 方案一與方案二投資對比Table 1 Comparison of investment between Plan 1 and Plan 2 單位：萬元

2.3 光源方面——采用高效低耗LED燈

原國家道路一般采用高壓鈉燈作為道路照明光源，在實際應(yīng)用中取得很好的照明效果。伴隨著新光源和節(jié)能技術(shù)的推廣，以及響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，道路照明積極推廣新的節(jié)能光源和新的照明技術(shù)，LED作為新興的高光效照明光源，被廣泛應(yīng)用在道路、廣場和隧道照明等工程設(shè)計中。

相比于高壓鈉燈，LED路燈的功耗可降低35%以上[4]，節(jié)電效率至少可達47%[5]。高壓鈉燈使用壽命為4 000 h左右，而LED路燈使用壽命為50 000 h以上，損壞率極低，電源效率高。另外，LED為無汞光源，對生態(tài)環(huán)境無污染，后期維護成本也更低。在光的控制及參數(shù)調(diào)整方面，高壓鈉燈不具備可控性，但 LED 燈具卻具備高可控性，LED照明的節(jié)能性提升到70%～80%，能更好地實現(xiàn)按需照明[6]。表2為LED燈與高壓鈉燈綜合性能對比。

表2 LED燈與高壓鈉燈性能對比Table 2 Performance comparison between LED lamp and high pressure sodium lamp

2.4 材料方面——采用低碳高強度GR65材質(zhì)

現(xiàn)工程中智能燈桿結(jié)構(gòu)件材料多采用Q345材質(zhì)，雖然結(jié)構(gòu)性較好，但環(huán)保性較差。GR65高強鋼相比Q345鋼板，具有低碳低硅、高強度、高韌性的特點。通過對微量元素的控制，增強了鍍鋅鋅層的附著力，長期使用不發(fā)黑，完全保證了熱浸鍍鋅的質(zhì)量，降低了更換率，并可進行各種表面特殊加工，例如：熱鍍鋅陽極氧化、環(huán)保噴塑等。

GR65相比常用的低合金鋼Q345，GR65屈服強度大于450 MPa，Q345屈服強度小于345 MPa，GR65屈服強度較Q345高30%以上，因此在桿件設(shè)計時，同樣的強度可以節(jié)約10%～18%的成本鋼材。此外，GR65熱鍍鋅效果較好、防腐效果好、鋼板厚度的級差也較細，為優(yōu)化設(shè)計提供了寬泛的選擇性。燈桿使用強度不變，GR65相對重量輕，運輸成本也可降低。而且通過對材料進行可回收、再利用，可降低不可降解材料對環(huán)境的影響。表3為GR65與Q345材料的綜合性能對比。

表3 GR65與Q345材料對比Table 3 Material Comparison between GR65 and Q345

2.5 應(yīng)用方面——采用智能燈桿搭載智能設(shè)施

交通運輸行業(yè)CO2排放占全國總排放量的近9%[1]，通過智能燈桿搭載環(huán)境監(jiān)測設(shè)施，能有效收集和監(jiān)測覆蓋區(qū)域中的CO2含量、SO2含量、揚塵濃度、PM2.5濃度等氣象環(huán)境信息，用于智能監(jiān)管平臺綜合分析與對比，從而發(fā)出優(yōu)化及調(diào)整指令，發(fā)揮智能燈桿搭載環(huán)境監(jiān)測設(shè)施在減碳達標(biāo)中的作用。

常見的操作模式為當(dāng)檢測到CO2含量通過道路綠植無法實現(xiàn)碳中和時，將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)管平臺，通過系統(tǒng)管理平臺觀測及分析道路交通占比情況，從而對道路交通進行實時調(diào)整疏導(dǎo)，為人員提供優(yōu)化通行路線，進而減少車輛因道路擁堵、停留而產(chǎn)生的CO2排放量。

2.6 控制方面——采用智能照明控制系統(tǒng)

智能照明著眼于節(jié)能減排、綠色環(huán)保，著力于不同情況下智能照明的亮度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。一是根據(jù)環(huán)境的明暗程度，自動開啟照明；二是根據(jù)日落日出時間進行開關(guān)控制；三是根據(jù)聲音控制，根據(jù)紅外線自動捕捉聲音，實現(xiàn)人及車輛通過時自動開啟。

針對不同道路，根據(jù)道路等級確定調(diào)光最低值，接入智能照明管控平臺、桿柱控制器、照明集中控制器等設(shè)備，即可根據(jù)季節(jié)變化、車流量、人流量、光照等不同場景，結(jié)合路段所在區(qū)域自動執(zhí)行節(jié)能策略，實現(xiàn)單燈照明控制、分組控制、定時計劃任務(wù)等智能控制功能，進而實現(xiàn)真正的按需照明、節(jié)能降碳。

2.7 管維方面——采用智能燈桿碳中和監(jiān)管平臺

建立一個智能燈桿碳中和監(jiān)管平臺，平臺通過智能燈桿(搭載有智能設(shè)施終端)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，收集大數(shù)據(jù)、碳排放量等信息來預(yù)測模型，對工程碳排放、碳匯分析、碳足跡、碳吸收等綜合維度進行智能監(jiān)測及管理。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法等技術(shù)手段進行模型優(yōu)化，構(gòu)建“碳中和”預(yù)測模型來提供優(yōu)化策略，提出切實可行的建議和實現(xiàn)途徑。

同時，智能燈桿碳中和監(jiān)管平臺，也可改變傳統(tǒng)巡修模式，工作人員通過終端，可遠程監(jiān)控城區(qū)每一盞路燈的工作狀態(tài)、每一條道路的照明效果。系統(tǒng)還可實現(xiàn)設(shè)備故障主動報警、能耗統(tǒng)計等功能，可大幅度減少人機投入的能源，降低維護成本，達成精準運維、動態(tài)運維。

3 結(jié)語

我國經(jīng)濟發(fā)展的能源增長需求與減排降碳的目標(biāo)同時存在，這對實際工程中智能燈桿的設(shè)計是個考驗。智能燈桿作為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)跨界融合的新興行業(yè)，在“雙碳”目標(biāo)背景下應(yīng)首當(dāng)其沖做出應(yīng)對。通過無碳能源、低碳能源和新能源應(yīng)用，結(jié)合科技創(chuàng)新和再利用等技術(shù)，把綠色發(fā)展理念貫穿智能燈桿設(shè)計的全生命周期，對于落實節(jié)能減碳有一定的推動作用。

本文淺從智能燈桿生產(chǎn)、供電、布設(shè)、實施、運營管理等多維度探究了可實施的降碳點，基于智能桿的多功能性以及一體化搭載與管理，將單一的道路照明功能向綜合城市管理功能方向轉(zhuǎn)變，為加速我國節(jié)能降碳進程，在2060年前實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)助力。